一种用于去除水中痕量浓度重金属的上向流零价铁过滤反应器及过滤系统技术方案

一种用于去除水中痕量浓度重金属的上向流零价铁过滤反应器及过滤系统，具体涉及一种过滤反应器及过滤系统。目的是解决ZVI易发生滤料板结、短流和流失的问题。反应器由反应器主体、调节系统和反冲洗系统构成；反应器主体的底部设置有进水管，上部设置有排水管，内部由上至下设置有零价铁滤料层、第一承托层、第二承托层、第三承托层和第四承托层。过滤系统为反应器主体构成的串联系统、并联系统和并联系统构成的串并联系统。本实用新型专利技术可以避免滤料发生板结、短流和流失；能够处理多种污染物，成本低，硫化作用可以防止形成氧化铁钝化层，通过反冲洗和弱酸洗的方式清洗滤料表面的污染物和铁氧钝化层，复原滤料还原性能。本实用新型专利技术适用于水处理。

A Upflow Zero Value Iron Filtration Reactor and Filtration System for Removal of Trace Heavy Metals in Water

【技术实现步骤摘要】
一种用于去除水中痕量浓度重金属的上向流零价铁过滤反应器及过滤系统
本技术属于水处理设备
，具体涉及一种过滤反应器及过滤系统。
技术介绍
微量和痕量浓度的无机污染物包括氟化物、硒酸盐、砷酸盐、亚砷酸盐、铬酸盐、重铬酸盐、铅、镉、铜、锌、汞等，微量和痕量浓度的有机污染物包括硝基苯、氯代有机物、氯代有机农药等；微量和痕量浓度的无机污染物和有机污染物常出现在各类水质污染地区，污染饮用水源、地下水源和自然水体。这些污染物主要来源是矿山开采业、机械加工制造业、化工企业、钢铁及有色金属冶炼等工业生产过程中排出的含重金属废水，以及农业灌溉、化工合成等工业生产过程中排放出的有机污染物，由于这类微量和痕量浓度的污染物具有累积性和持久性等特点，在环境中不易被降解，易被生物富集。污染物污染饮用水源或进入饮用水系统将严重威胁人类健康和生态环境安全。另一方面，污染企业对排出的污水需要处理达标后才可以排放到水体中，随着国家对排放标准的要求的提高，微量和痕量浓度的污染物的去除逐渐成为污染排放者提升排放标准的技术瓶颈。例如，城镇污水处理厂污染物排放标准(标准号为GB18918-2002)中限定部分一类污染物最高允许排放浓度限值需达到小于1mg/L、甚至小于1μg/L的级别或不得检出的出水要求，例如总汞需低于1μg/L，烷基汞不得检出，总镉需低于0.01mg/L，总铬需低于0.1mg/L，六价铬需低于0.05mg/L，总砷需低于0.1mg/L，总铅需低于0.1mg/L；在选择控制项目中，三氯甲烷的排放浓度需低于0.3mg/L，四氯化碳的排放浓度需低于0.03mg/L。对于排污企业，需达到更高的排放要求，即需满足受纳水体在地表水环境质量标准(标准号为GB3838-2002)中的分类标准，其中总汞需低于0.05μg/L(I/II类水)或需低于0.1μg/L(III/IV类水)，总镉需低于0.001mg/L(I类水)或需低于0.005mg/L(II/III/IV类水)，六价铬需低于0.01mg/L(I类水)或需低于0.05mg/L(II/III/IV类水)，总砷需低于0.05mg/L(I/II/III类水)或需低于0.1mg/L(IV/V类水)，总铅需低于0.01mg/L(I/II类水)或需低于0.05mg/L(III/IV类水)。随着国家对排污企业向不同受纳水体的排放要求提高，所以，寻找一种低成本的又能满足微量和痕量浓度的污染物的去除要求的技术，已成为污水处理设施提标改造的技术瓶颈。常规的重金属污染水处理工艺对于高浓度污染物的去除更有优势，例如电絮凝工艺、混凝沉淀工艺等，已有很多成功的案例，但是电絮凝工艺、混凝沉淀工艺等在处理微量和痕量浓度时，需要通过增加能耗和增加药剂投加量的方式增加反应动力，导致污水处理成本成级数增长。在入水重金属浓度在102～103mg/L的范围内时，通过传统工艺的处理能够稳定的达到99.9％的去除率，使污染物浓度达到100～101mg/L量级，并且保持较低的运行成本。然而当污染物浓度继续从100～101mg/L降低至10-2～10-3mg/L甚至更低，如汞出水需低于0.05μg/L(5x10-5mg/L)，则需要持续投加过量的药剂，增加电流强度，或提高水力停留时间，因此造成处理成本的大幅度提高。使用离子交换和生物吸附技术能够有效的达到微量或痕量浓度的出水，但是在实际运行中，由于吸附树脂和生物吸附具有很强的选择性，在处理单一污染物时，往往能保证较高的去除效果，但是当水中有多种重金属污染物共存的情况时，例如阴阳离子共存时，离子交换和生物吸附技术很难保证同时处理共存的重金属离子。此外，离子交换和生物吸附技术在运行过程中，并未发生氧化还原或络合反应，所产生的废渣需要依据危险废弃物处置要求处置，提高了整体的运行成本。零价铁(ZVI)具有低毒性、环境友好、价格便宜、易操作、绿色无二次污染等优点，已成为受污染水体修复的重要技术之一，在处理氮染料污水、氯代有机物污水、硝酸盐污水、高氯酸盐、除草剂、重金属污水等污水治理方面备具广阔的应用前景。ZVI从制作工艺来分类，主要包括普通研磨铁粉、纳米铁粉、海绵铁粉和水雾铁粉。ZVI颗粒能够还原、吸附和沉淀去除多重金属等有害物质。零价铁去除污染物的机理分为：(1)铁的还原作用：铁是活泼金属，对重金属污染物有较强的还原性，能够将多种重金属还原成零价态或低毒性的价态，达到处理目的。(2)微电解作用：零价铁具有电化学特性，电极反应中产生新生态[H]和Fe2+能与污水中的很多组分发生氧化还原作用将很多污染物降解还原。(3)混凝-共沉淀作用：铁在腐蚀过程中会产生无定型氢氧化铁、絮状的Fe(OH)2和Fe(OH)3等活性铁成分，他们具有很强的吸附、絮凝、黏结、表面络合、螯合、架桥、卷扫、界面氧化和共沉淀能力，藉此可控制重金属固液界面迀移。(4)吸附-富集-共沉淀作用：使用铁粉、纳米铁粉和海绵铁粉处理水中重金属污染物时，由于铁粉表面具有大比表面积的强吸附特性，能够将微量和痕量浓度污染物富集在铁粉的表面空隙中，再通过还原作用，形成共沉淀物。ZVI去除水中重金属研究已经有一定基础，但是实际应用还存在诸多问题。从应用方式分类，主要分为药剂投加方式和滤料过滤方式。直接将纳米ZVI或微米级的ZVI作为药剂投加到污水中，可以有效处理水中的污染物，然而在投加过程中，ZVI易与空气中的氧气分子和水中的溶解氧发生反应，表面生成一层1～4nm致密的铁氧钝化层，导致腐蚀缓慢，反应活性降低。ZVI内核被铁氧化物包裹而隔断进一步的腐蚀及与污染物的接触，导致整体活性低，效率下降。为了克服ZVI表面钝化，学术界和工程界进行了许多尝试，包括制备纳米零价铁(nZVI)、双金属系氧化物、外加弱磁场、超声波协同作用、负载型纳米零价铁、杂化重金属离子(钯、镍)、酸溶等。上述改进一定程度上能提高ZVI活性和增强重金属去除效率，但都存在如成本过高、工程实施困难、带来二次污染等问题，如专利CN106477689A，CN203256019，CN103332823，CN104326595，CN105776491，CN102807272，CN102583689，CN103112918和CN103342410。使用ZVI作为滤料能够防止ZVI与空气的接触，阻止其被直接氧化，同时减少了加药系统和协同系统的投入。然而，通用的过滤方式为下向流过滤，由于ZVI颗粒粒径很小(粒径通常在nm～um之间)，在下向流过滤系统实际运行时，经常发生滤料板结、短流和流失的问题，影响出水效果。无论是ZVI药剂投加式应用，或下向流ZVI过滤应用，在已知的应用案例中，仅考虑了ZVI的一次使用，使用后通过排泥和更换滤料的方式将ZVI丢弃，因此仅表面部分的ZVI被污染物氧化或形成铁的氧化物，而ZVI内部仍有大量的优质的未参与反应的零价铁没有被使用，造成资源浪费。
技术实现思路
本技术为了解决现有污水处理过程中ZVI易发生滤料板结、短流和流失的问题，提出一种用于去除水中痕量浓度重金属的上向流零价铁过滤反应器及过滤系统。本技术用于去除水中痕量浓度重金属的上向流零价铁过滤反应器由反应器主体、调节系统和反冲洗系统构成；所述反应器主体为密闭圆柱体罐或密闭长方体水池，反应器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于去除水中痕量浓度重金属的上向流零价铁过滤反应器，其特征在于：用于去除水中痕量浓度重金属的上向流零价铁过滤反应器由反应器主体(1)、调节系统(3)和反冲洗系统(4)构成；所述反应器主体(1)为密闭圆柱体罐或密闭长方体水池，反应器主体(1)的底部设置有进水管(11)，反应器主体(1)的上部设置有排水管(13)，进水管(11)上设置有进水泵(12)；反应器主体(1)内部由上至下依次设置有零价铁滤料层(18)、第一承托层(14)、第二承托层(15)、第三承托层(16)和第四承托层(17)；第四承托层(17)底部设置有大阻力布水组件(22)；零价铁滤料层(18)下部设置有小阻力布水组件(23)；大阻力布水组件(22)的进水端与进水管(11)出水口连通；小阻力布水组件(23)的进水管探出至反应器主体(1)底部，反应器主体(1)外部的小阻力布水组件(23)的进水管上设置有阀门；所述零价铁滤料层(18)由零价铁粉构成；零价铁滤料层(18)中的零价铁粉的有效粒径d10为250μm，不均匀系数k80小于1.5，铁含量≥96％；零价铁滤料层(18)的厚度为0.5～1.5m；所述第一承托层(14)、第二承托层(15)、第三承托层(16)和第四承托层(17)内填充有承托层滤料；所述第一承托层(14)中的承托层滤料为与零价铁滤料层(18)中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层(18)中的零价铁粉密度相同的石英砂；第一承托层(14)中承托层滤料的粒径为0.8～2mm，厚度40～100mm；所述第二承托层(15)中的承托层滤料为与零价铁滤料层(18)中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层(18)中的零价铁粉密度相同的石英砂；第二承托层(15)中承托层滤料的粒径为2～4mm，厚度40～100mm；所述第三承托层(16)中的承托层滤料为与零价铁滤料层(18)中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层(18)中的零价铁粉密度相同的石英砂；第三承托层(16)中承托层滤料的粒径为4～8mm，厚度40～100mm；所述第四承托层(17)中的承托层滤料为与零价铁滤料层(18)中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层(18)中的零价铁粉密度相同的石英砂；第四承托层(17)中承托层滤料的粒径为8～16mm，厚度40～100mm。...

【技术特征摘要】
1.一种用于去除水中痕量浓度重金属的上向流零价铁过滤反应器，其特征在于：用于去除水中痕量浓度重金属的上向流零价铁过滤反应器由反应器主体(1)、调节系统(3)和反冲洗系统(4)构成；所述反应器主体(1)为密闭圆柱体罐或密闭长方体水池，反应器主体(1)的底部设置有进水管(11)，反应器主体(1)的上部设置有排水管(13)，进水管(11)上设置有进水泵(12)；反应器主体(1)内部由上至下依次设置有零价铁滤料层(18)、第一承托层(14)、第二承托层(15)、第三承托层(16)和第四承托层(17)；第四承托层(17)底部设置有大阻力布水组件(22)；零价铁滤料层(18)下部设置有小阻力布水组件(23)；大阻力布水组件(22)的进水端与进水管(11)出水口连通；小阻力布水组件(23)的进水管探出至反应器主体(1)底部，反应器主体(1)外部的小阻力布水组件(23)的进水管上设置有阀门；所述零价铁滤料层(18)由零价铁粉构成；零价铁滤料层(18)中的零价铁粉的有效粒径d10为250μm，不均匀系数k80小于1.5，铁含量≥96％；零价铁滤料层(18)的厚度为0.5～1.5m；所述第一承托层(14)、第二承托层(15)、第三承托层(16)和第四承托层(17)内填充有承托层滤料；所述第一承托层(14)中的承托层滤料为与零价铁滤料层(18)中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层(18)中的零价铁粉密度相同的石英砂；第一承托层(14)中承托层滤料的粒径为0.8～2mm，厚度40～100mm；所述第二承托层(15)中的承托层滤料为与零价铁滤料层(18)中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层(18)中的零价铁粉密度相同的石英砂；第二承托层(15)中承托层滤料的粒径为2～4mm，厚度40～100mm；所述第三承托层(16)中的承托层滤料为与零价铁滤料层(18)中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层(18)中的零价铁粉密度相同的石英砂；第三承托层(16)中承托层滤料的粒径为4～8mm，厚度40～100mm；所述第四承托层(17)中的承托层滤料为与零价铁滤料层(18)中相同的零价铁粉或与零价铁滤料层(18)中的零价铁粉密度相同的石英砂；第四承托层(17)中承托层滤料的粒径为8～16mm，厚度40～100mm。2.根据权利要求1所述的用于去除水中痕量浓度重金属的上向流零价铁过滤反应器，其特征在于：所述反冲洗系统(4)由反冲洗罐、第一pH变送器(41)、搅拌机、搅拌浆、第一pH电极(42)、第一加药泵(43)和第一储药罐(44)构成；第一pH变送器(41)、搅拌机、搅拌浆和第一pH电极(42)设置在反冲洗罐内部，第一储药罐(44)设置在反冲洗罐外部；反冲洗罐底部设置有排液管和反冲洗管，反冲洗管上设置有阀门和输送泵；第一储药罐(44)与反冲洗罐通过管道连通，第一加药泵(43)设置在第一储药罐(44)与反冲洗罐之间的管道连上；第一pH电极(42)的信号输出端与第一pH变送器(41)的控制信号输入端通过信号线连通，第一pH变送器(41)的控制信号输出端与第一加药泵(43)的控制信号输入端通过信号线连通；反冲洗系统(4)底部设置的反冲洗管与小阻力布水组件(23)的进水管连通；反冲洗系统(4)中的反冲洗罐上部与反应器主体(1)的上部设置的排水管(13)连通。3.根据权利要求1所述的用于去除水中痕量浓度重金属的上向流零价铁过滤反应器，其特征在于：所述调节系统(3)由调节罐、第二pH变送器(31)、搅拌机、搅拌浆、第二pH电极(32)、第二加药泵(33)、第二储药罐(34)和第三储药罐(35)构成；第二pH变送器(31)、搅拌机、搅拌浆和第二pH电极(32)设置在调节罐内部，第二储药罐(...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：哈尔滨泽能环保科技有限公司，
类型：新型
国别省市：黑龙江,23